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Vorbereitungen und didaktische Hinweise

In den vorangegangenen Unterrichtseinheiten wurde entwickelt, wie die Auftriebskraft durch das Wasser zustande kommt und im Vergleich mit der Erdanziehungskraft die Bedingungen formuliert, wann ein Gegenstand sinkt, wann er schwebt, aufsteigt oder schwimmt. In dieser – nur als optionale Vertiefung vorgesehene – Einheit lernen die Kinder, wie man experimentell die Größe des Auftriebs bestimmen kann. Dieser ist bestimmt durch die Erdanziehungskraft auf die vom Gegenstand verdrängte Wassermenge. Zur Messung der Erdanziehungskraft wird ein Federkraftmesser benötigt, wie man sie im Lehrmittelhandel recht günstig erhält. Z.B. bei der Firma Conatex, siehe https://www.conatex.com/catalog/physik_lehrmittel/mechanik/krafte_statik_dynamik/product-einsteiger_federkraftmesser/sku-M2657 (Aufruf am 5.2.2020).

Je nachdem, wie schwer die angehängten Gegenstände sind, werden Kraftmesser für maximal 2,5 Newton, 5 Newton oder 10 Newton benötigt. Ein Federkraftmesser für 10 Newton ist belastbar mit einer Masse von maximal 1 kg (entspricht der Masse von einem Liter Wasser). Entsprechend kann ein Federkraftmesser für 2,5 Newton mit maximal 250 g belastet werden.


Abb. 7.1: An einem Federkraftmesser aufgehängter, eingetauchter Stein. Die Auftriebskraft ergibt sich als Differenz der Anzeigen „Stein in Luft“ und „Stein im Wasser“.

Zur Messung der Erdanziehungskraft auf das vom Gegenstand verdrängte Wasser benötigt man ein Überlaufgefäß, das man selbst herstellen kann. In einen Plastikbecher wird leicht schräg nach unten ein Trinkhalm wasserdicht eingeklebt (siehe Abb. 7.2). Der Becher wird soweit mit Wasser gefüllt, dass dies gerade auszufließen beginnt. Taucht der Gegenstand in den wassergefüllten Becher ein, fließt so viel Wasser aus, wie es dem Volumen des Gegenstandes entspricht. Dieses verdrängte Wasser wird in einem zweiten Becher aufgefangen und dieser mit Fäden an den Federkraftmesser gehängt. Er zeigt dann die Erdanziehungskraft auf das vom Gegenstand verdrängte Wasser an. Dieser Wert ist genauso groß wie die gemessene Auftriebskraft.


Abb. 7.2: Selbsthergestellte Überlaufgefäße mit Auffangdosen

 

Materialien

Federkraftmesser, Wassergefäße, Gegenstände zum Eintauchen in das Wasser und zum Anhängen am Federkraftmesser, Schalen, Überlaufgefäß (siehe oben), Glasmurmeln, Alufolie (oder wasserunlösliche Knete), leichte Plastikbecher.

 

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